用电极刺激移位的肌肉会收缩。
只是一个价值$ 100的玩具——一个玻璃罐，里面有一群Eam在日本大阪游泳。
ex公司生产的机器鱼。不同寻常的是，这些由内力驱动的塑料鱼几乎像真鱼一样在水中游泳，它们内部不包含任何机械部件:没有电机，没有传动轴，没有齿轮，甚至没有电池。这些鱼能游泳是因为它们的塑料内脏在来回弯曲，就像鱼有自己的意志一样。它们是第一批基于新一代改进的电活性聚合物(EAPs)的商业产品，可以在电刺激下移动。
几十年前，制造致动器或致动装置的工程师已经找到了肌肉的人工替代品。作为对神经刺激的反应，肌肉可以通过改变长度来精确控制自己施加的力，例如眨眼或举杠铃。同时，肌肉也表现出比例不变的性质:对于各种大小的肌肉，其机制都是一样的，同样的肌肉组织可以赋予昆虫和大象力量。因此，类似肌肉的东西可能对难以制造电动马达的驱动设备有用。
EPAs声称是未来的人造肌肉。研究人员已经雄心勃勃地工作，希望为许多当代技术找到基于EPA的替代品，并且不怕与自然物体竞争他们的发明。几年前，包括来自加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的高级科学家Yoseph Bar-Cohen在内的几个人向电活性聚合物研究小组发起了一项挑战，以激发人们对这一领域的兴趣:举行一场比赛，看谁能首先制造出EAP驱动的机械臂，必须赢得与人类手臂一对一的掰手腕比赛。然后，他们开始寻找赞助商的支持，并给获胜者现金作为奖励。
目前，最有希望的工作可能是斯坦福研究所(SRI)正在进行的研究，该研究所位于加利福尼亚州门洛帕克的一个非营利性合同研究实验室。SRI管理层希望成立一家公司(暂时命名为人造肌肉综合公司)，以400万至600万美元作为初期投资，在几个月内实现其专利EPA技术的商业化。即使现在，SRI手中仍有6份R&D合同。甲方包括美国政府和玩具、汽车、电子、机械产品和鞋类行业的公司。SRI正在努力尽快将人造肌肉推向市场。
这家新公司的目标是什么？我只是想用更小、更轻、更便宜的产品，用SRI的新型致动器取代无数的电动机和许多其他致动装置。其实验室业务发展部主任菲利普·冯·古根贝格(Phillip von Guggenberg)指出:“我认为这项技术是实现机械致动领域革命的好机会。我们希望普及这项技术，让它成为你可以在五金店买到的东西。”
人工肌肉材料
自20世纪60年代中期以来，Bar-Cohen一直是不断变化的国际EAP研究人员的非正式协调员。回到它的初期，“我在科学论文中读到的电活性聚合物材料并不像广告中宣传的那样神奇，”他回忆道，狡黠地笑着。“当我从美国国家航空航天局获得资金来研究这项技术时，我必须找出谁在这个领域工作，以便从中找到一些灵感。”短短几年时间，Bar-Cohen已经掌握了足够的知识，帮助举办了第一次关于这一主题的科技研讨会，开始出版EAP简讯，出版了EAP网站，并就这一新兴技术撰写了两部作品。
在喷气推进实验室(JPL)院子里的一栋低矮的研究大楼里，测试台上摆满了各种各样的致动设备和测试装置的原型，巴-科恩开始回顾这个他早已熟知的领域的历史。他说:“长期以来，人们一直在寻找不用电动机来移动动物的方法，因为电动机对于许多应用来说太笨重了。在EPAs出现之前，电机的标准替代技术是压电陶瓷，这一度是研究的热点。”
在压电材料中，机械应力会导致晶体极化，反之亦然。用电流刺激这种材料会使它变形；电可以通过改变它的形状来产生。
巴-科恩从一个实验台上拿起一个浅灰色的小平板，说道:“这个平板是由PZT(锆钛酸铅)制成的。”他向我们解释说，电流使压电PZT收缩或膨胀，振幅不到其总长度的1%。变形虽小，但有用。
在隔壁房间，Bar-Cohen展示了一个由PZT板驱动的一英尺长的冲击钻机，他正在与JPL的同事和Cybersonics的工程师一起开发。他说:“这个圆筒里是一堆压电板。当交流电激活时，这堆板会以超音速拍打钻头，钻头会高速上下跳动，从而钻入坚硬的岩石。”另一边是成堆的石头，被钻了很深的洞。
作为一个例子，钻头显示了用压电陶瓷制作致动器的有效性，这真是令人印象深刻。然而，在许多应用中，要求电活性材料的膨胀范围超过0.0%。
塑料对电的反应
Bar-Cohen告诉我们，响应电流而改变形状的聚合物可以分为离子型和电子型两大类，它们的优缺点正好互补。
离子型电活性聚合物(包括离子聚合物凝胶、离子聚合物如金属复合材料、导电聚合物和碳纳米管)的工作原理是电化学——即正负离子的运动和扩散。它们可以直接由电池驱动，因为即使是个位数的电压也能让它们大幅度弯曲。缺点是离子型EAP通常必须是湿的，所以它们应该密封在柔性薄层中。许多离子型电活性聚合物的另一个主要缺点是，“只要接通电流，材料就会不断移动，”巴-科恩指出，并补充道:“如果电压超过一定值，就会发生电解，这会对材料造成不可修复的损害。”
相反，电子电活性聚合物(如铁电聚合物、电介质、电绝缘橡胶和电致伸缩接枝橡胶)是由电场驱动的。它们需要相对较高的电压，所以会产生不舒服的电击。但是，作为回报，电子EPA可以快速响应并传输强大的机械力。它们不需要保护层，用很小的电流就能维持一定的位置。
SPR人工肌肉材料属于电子EAP类型。它的成功发展经历了漫长而曲折的道路，多少有些偶然性，堪称异想天开的技术创新的经典范例。
给橡皮充电
SRI团队的负责人罗恩·珀林(Ron Pelrine)说:“在与日本签订了日本微型机器计划合同后，斯坦福研究所从1992开始研究人造肌肉。”他过去是物理学家，但现在是机械工程师。日本官员正在寻找一种新的微驱动器技术。几位SRI的研究人员开始寻找一种在力学、冲程(线性位移)和应变(单位长度或单位面积的位移)方面与天然肌肉具有相似特性的致动材料。
“我们看了很多有前景的激活技术，”Pelrine回忆道。然而，他们最终选择了电致伸缩聚合物，这正是罗格斯大学的Jerry Scheinbeim当时正在研究的。这种聚合物中的碳氢化合物分子排列成半晶格，这种晶体阵列具有类似压电的特性。
当处于电场中时，所有绝缘塑料(如聚氨酯)都会在电力线方向收缩，在垂直于电力线的方向膨胀。这种现象不同于电致伸缩，称为麦克斯韦应力。Pelrine说:“这种现象早已为人所知，但一直被认为是一种非常麻烦的效应。”
他意识到比聚氨酯更软的聚合物在静电引力下更容易挤压，因此它们可以提供更大的机械应变。通过测试软硅胶，SRI的科学家很快证明了它的应变在10到15%之间，非常令人满意。经过进一步研究，这个数字可以提高到20 ~ 30%。为了区分这种新的致动器材料，硅树脂和其他更软的材料被命名为电绝缘弹性体(也称为电场激活聚合物)。)
在确定了几种有前途的聚合物材料后，该团队专注于为1990的其余大部分开发特定设备应用的具体细节。当时，SRI研究小组的新外部资金支持和研究方向由高级研究计划局(DARPA)和美国国防部海军研究办公室提供，其主管的主要兴趣是将该技术用于军事目的，包括小型侦察机器人和光发生器。
随着橡胶开始表现出更大的张力，工程师们意识到电极也必须是可膨胀的。普通金属电极除非分体，否则无法延伸。Pelrine提到:“起初，人们不必担心这个问题，因为他们研究的材料提供的应变只有大约1%。”最后，研究小组开发了一种基于在橡胶基质中填充碳颗粒的柔性电极。他指出:“由于电极和塑料一起膨胀，它们可以在整个活动区域之间保持一个电场。”SRI为这个概念申请了专利，这是后来人工肌肉技术的关键之一。
Pelrine急着给我们看，他拿出了一个15 cm见方的看起来像相框的东西，两边的塑料夹子因为膨胀而紧绷。“看，这种聚合物材料很有延展性，”他说，并把一个手指按进它的透明膜里。“其实就是一种双面胶，一大卷的价格很便宜。”中间夹子的两侧是黑色和镍币大小的电极，电极之间用导线连接。
佩琳拧开电源的控制旋钮。随即，黑色圆形电极对开始膨胀，直径增加了四分之一。当他把旋钮转回到原来的位置时，电极立即收缩到原来的状态。他咧嘴一笑，把操作重复了几遍，解释道:“基本上，我们的设备就是一个电容器，也就是两个平行的充电板，它们之间有电绝缘。当电源接通时，正负电荷分别积聚在相对的电极上。电极板相互吸引，挤压中间的绝缘聚合物，聚合物的面积就扩大了。”
虽然已经确定了几种有前途的材料，但在实际设备中实现可接受的性能确实是一个挑战。然而，该小组在1999中取得的一系列突破引起了美国政府和工业界的极大兴趣。通过观察发现，在电活化之前对高分子材料进行预拉伸，其性能会有很大的提高。团队的另一名成员、工程师罗伊·科恩布鲁(Roy Kornbluh)回忆说:“我们开始注意到有一个甜蜜点，然后我们可以获得最佳性能。没有人知道确切的原因，但预拉伸聚合物可以将击穿强度(电极之间电流通过的阻力)提高100倍。”通过电激活增加应变的幅度是相似的。虽然原因尚不清楚，但SRI的化学家佩·冰淇认为:“预拉伸可以沿着平面膨胀方向定位分子链，材料使其在这个方向上更难。”为了获得预拉伸效果，SRI的致动器设备采用了外部支撑结构。
第二个关键发现得益于研究人员“测试我们知道的每一种可扩展材料，我们称之为爱迪生方法，”Pelrine高兴地告诉我们。为了找到一种适合做电灯灯丝的材料，托马斯·爱迪生对各种材料进行了系统的实验。)“在我家，为了防止我蹒跚学步的孩子到处拿东西，我们用高分子材料制成的门锁锁住冰箱。随着孩子的长大，我们不再需要锁任何东西，所以我们把锁拿走了。由于它是由可延伸的材料制成，我决定测试它的应变性能。令人惊讶的是，它的性能非常出色。”追踪锁的来源并分析其构成并不困难。最后，这种神秘的聚合物“竟然是聚丙烯酸橡胶，可以提供很大的应变和能量输出，线性应变高达380%。”这两项发展使我们能够开始将电绝缘橡胶应用于实际的致动器设备。”研究员说。
人造肌肉梦想成真
SRI组的一般研究方法比较灵活，包括很多设计，甚至不同的聚合物。正如佩冰淇所说:“这是一件设备，而不是一块材料。”根据Pelrine的说法，该团队能够用不同的聚合物产生激活效果，包括丙烯酸树脂和硅树脂。即使是天然橡胶也能有一定的效果。比如在外部空间的极端温度环境下，人工肌肉最好使用硅胶塑料，已经证明这种材料可以在-100摄氏度的真空环境下工作。对于需要更大输出力的应用，可能需要更多的聚合物材料，或者可以串联或并联多个装置。
SRI的成员冯·古根贝格(Von Guggenberg)估计:“由于电绝缘橡胶可以在库存中买到，而我们在每个设备中最多只使用几平方英尺的材料，因此致动器将非常便宜，特别是对于大规模生产来说。”
用于激活电绝缘橡胶执行机构的电压相对较高，通常为1至5 kV，因此该装置可以在非常低的电流下工作(一般来说，高电压意味着低电流)。致动器还可以使用更细且更便宜的导线，并且可以保持相对较冷。Pelrine说:“当电场停止，电流流过缝隙时，更高的电压会产生更大的膨胀和应力。”
科恩布鲁评论道:“高电压是个问题，但不一定危险。毕竟荧光灯和阴极射线管都是高压器件，但是没人会担心。更大的问题是移动设备要用高电压，因为电池通常是低电压，所以需要额外的变压器线圈。”此外，在宾夕法尼亚州立大学，张启明和他的团队一直试图通过将一些电致伸缩聚合物与其他物质结合形成化合物来降低它们的激活电压。
当被问及电绝缘橡胶的耐久性时，冯·古根贝格承认需要更多的研究，并证实了一个“合理的迹象”，即它们应该继续工作很长时间才能实现商业使用。“比如我们为一个客户运行的设备，可以产生5 ~ 10%的应变，循环10万次。”另一种设备可以产生50%的面积应变，循环次数为1万次。
尽管人造肌肉设备比相应的电动马达轻得多(聚合物本身的密度与水相近)，SRI仍在努力通过减少必要的外部预应变设备来减轻其质量。例如，Pei正在试验用化学方法来消除使用相对较重的框架的需要。
产品的商业化
在开发出基本原理后，SRI研究团队立即继续研究一系列应用概念:
线性执行器(线性执行器)。为了制造他们所谓的弹簧卷，工程师们在螺旋弹簧周围包裹了几层预应变的层状电绝缘橡胶片。拉伸弹簧支持周向预应变，而橡胶膜的纵向预应变使弹簧保持压缩状态[参见第48页的图示]。通电使橡胶膜厚度在纵向上同时压缩和松弛，设备伸长。因此，弹簧鼓可以在压缩包中产生强大的力和大的行程。科恩布鲁报道称，汽车制造商对该设备表现出了兴趣，希望用它来取代汽车中的许多小型电动机，例如，在电动座椅位置控制和高效静音发动机的阀门控制方面。
弯曲辊。使用相同的基本弹簧鼓，工程师可以连接电极，制造两个或更多不同的部件，围绕鼓圆周独立工作。一个部件的电激活可以拉长气缸的一侧，这样整个气缸就向另一侧弯曲[参见第48页的图示]。基于这种设计的装置可以完成许多传统电机、齿轮和联动装置无法完成的复杂动作。它可能的用途包括可操纵的医疗导管和所谓的蛇形机器人。
推拉致动器。成组的电绝缘橡胶隔膜对或弹簧气缸对可以排列成“推拉”结构，这样它们可以相互作用，从而以更线性的方式响应(一个输入产生一个输出)。从一个器件到另一个器件的穿梭电压可以来回改变整个器件组的位置；同时激活两个设备可以将设备组固定在中间点。这样，致动器可以像控制人类手臂运动的肱二头肌和肱三头肌一样工作。
扬声器。在带有开口的框架上拉伸电绝缘膜。振膜根据施加的电信号快速膨胀或收缩，因此可以发出声音。这种配置可以制成轻便廉价的扬声器，其振动介质包括驱动器和声音面板。当前设计在中频和高频范围内表现出高性能。然而，这种扬声器配置并没有作为低音扬声器进行优化，尽管它在低频范围内也能很好地工作[参见第49页的图示]。
泵(Pumps)电绝缘橡胶隔膜泵的设计类似于低频扬声器，工程师只是增加了一个流体腔和两个单向止回阀来控制液体的流动。人造肌肉非常适合为微流体泵提供动力，例如，在医学和工业高度重视的芯片实验室设备中。
传感器。就其性质而言，所有SRI电绝缘橡胶设备在弯曲或拉伸时都会出现电容变化。因此，有可能制造一种顺从的并且在低压下工作的传感器。Kornbluh表示，SRI团队正在与一家汽车制造商谈判，使用这种传感器来测量安全带的张力。他说，该传感器还可以用于测量织物或其他材料的张力，如光纤、皮带或衣服。
表面特征和智能表面。如果用电极图案压印聚合物，可以根据需要在表面雕刻出各种形状。这项技术可以用于主动伪装织物，可以根据需要改变反射率，或者作为制造“拉条”的设备，以改善机翼表面的气动阻力特性[见第50页的插图]。
发电机。因为这种材料可以充当软电容器，所以可以用来制造容量可变的发电机和能量采集器。DARPA和美国军方投资开发了一种“鞋跟”发电机，这是一种便携式能源，士兵或其他战地人员可以用它代替电池为电气设备提供电力。使用这种仍处于开发阶段的设备[见本页图片]，一个普通人每秒可以走一步，产生大约1瓦的功率。冯·古根-伯格说，这个概念已经引起了鞋类公司的兴趣。同样，这种装置也可以安装在背包带上或汽车悬挂装置上。原则上，这种方法也可以应用于波浪发电机和风力发电设备。
SRI的研究人员最近测试了一个更激进的概念“聚合物发动机”。丙烷燃料在燃烧室中燃烧，燃烧产物产生的压力会使电绝缘橡胶隔膜变形，从而产生电能。这种设计最终可能会导致厘米或更小规模的高效微型发电机的出现。
但是，真正适销对路的产品出现还需要时间。冯·古根贝格(Von Guggenberg)指出:“目前，我们正在制造所有交钥匙设备，这些设备可以交给工程师，以便他们研究它们，接受并欣赏这项技术。我希望在未来，所有的工程师在设计新产品时都能考虑这项技术。”
Bar-Cohen表示，SRI在致动器技术方面取得的进步给他留下了深刻的印象。但成功也带来一些问题:掰手腕比赛。他开玩笑地说:“我曾希望在20年左右的时间里，有人能研制出能与人类手臂相媲美的机械臂。”现在SRI说他们要造一个，我们还没提高奖金呢！"